多糖(Jag C162)對(duì)黃土坡面徑流過(guò)程的影響

楊莉婷, 劉俊娥, 王占禮, 齊小倩, 程西科

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

土壤侵蝕被視為導(dǎo)致土壤退化的主要原因[1]，已成為全球最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[2]。黃土高原位于我國(guó)北方干旱和半干旱地區(qū)，土層厚且質(zhì)地疏松，脆弱的生態(tài)環(huán)境使土壤侵蝕更為加劇[3]。根據(jù)中科院、水利部和中國(guó)工程院的聯(lián)合考察成果，黃土高原覆蓋面積近64萬(wàn)km2，土壤侵蝕面積達(dá)39萬(wàn)km2，占總面積的61%，劇烈水蝕面積為3.67萬(wàn)km2，即土壤侵蝕模數(shù)大于或等于15 000 t/(km2·a)[4]，總的土壤侵蝕量為黃河貢獻(xiàn)了約90%的泥沙源[5]。每年由于土壤侵蝕損失約1 000萬(wàn)hm2的耕地，這不僅會(huì)降低土壤質(zhì)量，導(dǎo)致自然、農(nóng)業(yè)和森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力下降[6]，而且會(huì)影響生物多樣性，威脅到能源、食品和水供應(yīng)的安全[7]。

土壤侵蝕的防控是黃土高原干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，一系列工程、生物、耕作等傳統(tǒng)的水土保持措施存在成本高、周期長(zhǎng)或見(jiàn)效慢等缺點(diǎn)，而化學(xué)調(diào)控技術(shù)具有成本低、見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)受到?jīng)Q策者的青睞，尤其在無(wú)植被或植被稀疏的水蝕地區(qū)防控效果更為顯著[8]。土壤改良劑的類(lèi)型、性質(zhì)、狀態(tài)、劑量、施用方式以及土壤質(zhì)地等均會(huì)影響土壤改良劑對(duì)坡面徑流量的調(diào)控作用。目前，聚丙烯酰胺(PAM)是土壤侵蝕防治中常用的一種水溶性線(xiàn)型陰離子型改良劑。Kebede等[9]測(cè)試了連續(xù)暴雨條件下不同PAM用量對(duì)細(xì)質(zhì)氧化土減少?gòu)搅骱退亮魇У男Ч?，認(rèn)為4 g/m2的施用量為該條件下的最佳適用量。而Abrol等[10]認(rèn)為顆粒狀PAM的最佳用量取決于應(yīng)用的目的和特殊的土壤特性。一些研究表明，石膏或生物炭與聚合物共施可以增強(qiáng)團(tuán)聚體的粒級(jí)分布，從而提高土壤入滲率，減少?gòu)搅髑治g[11]。但PAM對(duì)徑流的影響受限于土壤黏粒含量的大小，對(duì)一些較粗質(zhì)地的土壤可能存在負(fù)面影響，對(duì)一些低肥力或鹽漬化土壤的影響也比較差[12]。Yang等[13]發(fā)現(xiàn)粉煤灰和PAM對(duì)沙土的入滲—徑流過(guò)程有顯著影響，隨兩者用量的增加，累積產(chǎn)流量呈增加趨勢(shì)，平均入滲速率呈下降趨勢(shì)。進(jìn)一步研究表明聚丙烯酰胺含有丙烯酰胺的殘留單體，這種致癌化合物具有淋洗和污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)[14]。因此，研究其他可替代性的聚合物是促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需求。

許多學(xué)者在新型聚合物的研發(fā)與應(yīng)用中不斷探索。Yakupoglu等[15]研究結(jié)果表明PAM和聚乙烯醇未能延緩徑流起流，但兩者都減少了總徑流、產(chǎn)沙量。Wu等[16]對(duì)黃土施用了不同濃度的3種改良劑：聚丙烯酸、聚乙烯醇和脲醛縮合物，通過(guò)人工降雨模擬試驗(yàn)表明聚合物可以增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，增加土壤孔隙度和土壤滲透性，延緩產(chǎn)流，降低徑流速度和土壤侵蝕量。陰離子表面活性劑Agri-SC可顯著降低土壤容重值，增加土壤孔隙度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)而降低徑流、土壤流失量[17]。此外，天然高聚物多糖類(lèi)物質(zhì)也被廣泛應(yīng)用于土壤改良。天然多糖是親水的、可生物降解的聚合物，具有廣闊的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)高吸水性聚合物(SAP)可用于改良鹽堿化弱堿土壤，提高其節(jié)水、保肥、增產(chǎn)效果[18]。多糖類(lèi)物質(zhì)用于改良干旱和半干旱土壤時(shí)，土壤的入滲量和侵蝕量之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系[19]。多糖Jag C162是一種雙衍生瓜爾膠，獨(dú)特的透明調(diào)理聚合物可用于制作香波、洗發(fā)水、浴液和其他化妝品，也可作為乳化穩(wěn)定劑和增稠劑適量添加于各類(lèi)食品中。Liu等[12]發(fā)現(xiàn)多糖類(lèi)NPD可以顯著提高土壤表面的抗剪強(qiáng)度和大團(tuán)聚體，進(jìn)而減少坡面的徑流量和產(chǎn)沙量。焦念等[20]模擬降雨試驗(yàn)表明Jag C162可提高土壤入滲率，減少地表徑流。李元元等[21]研究表明中性多糖Jag S可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高坡面入滲性能，達(dá)到降低土壤侵蝕的目的。

本研究將在模擬降雨試驗(yàn)條件下，探索羅地亞公司新開(kāi)發(fā)的高分子多聚糖Jag C162對(duì)黃土坡面徑流過(guò)程的影響效應(yīng)，研究不同撒施劑量的Jag C162對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間、徑流過(guò)程的影響，通過(guò)分析其對(duì)土壤性質(zhì)的改變，闡明撒施Jag C162對(duì)徑流過(guò)程的調(diào)控過(guò)程，結(jié)果將促進(jìn)坡面侵蝕理論的深入發(fā)展，為黃土高原環(huán)境友好型發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳開(kāi)展。試驗(yàn)采用側(cè)噴式人工降雨裝置，噴頭安裝高度14.5 m，雨滴上噴高度1.5 m，實(shí)際降雨高度可達(dá)16 m，能確保所有雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度，且降雨均勻度大于80%。

試驗(yàn)土壤來(lái)自黃土高原典型丘陵溝壑區(qū)的陜西省延安市安塞區(qū)，土壤類(lèi)型為黃綿土，其黏粒、粉粒和砂粒含量分別為8.7%，54.7%，36.6%。

試驗(yàn)設(shè)備為120 cm(長(zhǎng))×40cm(寬)×25 cm(深)的可變坡鋼質(zhì)小區(qū)，其底部的開(kāi)孔間距設(shè)置為10 cm。試驗(yàn)前土壤經(jīng)自然風(fēng)干后，過(guò)5 mm篩網(wǎng)去除植物根系及石子等雜質(zhì)。在小區(qū)裝土之前，先在水槽底部鋪一層天然細(xì)沙(5 cm厚)，并將透水紗布覆蓋其上，使土層的透水狀況與天然坡面相似。

設(shè)計(jì)填土容重為1.2 g/m3，土壤含水量為14%。試驗(yàn)小區(qū)裝填土壤時(shí)，采取分層裝土的方式以保證裝土的均勻性，每層5 cm厚，分4層裝填，注意填充的同時(shí)要進(jìn)行壓實(shí)處理，確保土壤容重符合設(shè)計(jì)要求。裝填完畢，用刮板將土壤表面刮平整。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及觀(guān)測(cè)

Jag C162是羥丙基瓜爾膠的陽(yáng)離子衍生物，其分子式：C17H17ClO6，屬于天然高分子多肽衍生物。它是從瓜爾豆種子中提取的天然多糖，是一種可再生資源。它是一種白色、無(wú)雜質(zhì)粉末，遇水形成膠體。試驗(yàn)表明它沒(méi)有生態(tài)毒性并能促進(jìn)土壤中有益菌落的形成，是一種純天然無(wú)污染的綠色化學(xué)品。

Jag C162施放方式采取拌土干施法。將所需劑量的Jag C162和過(guò)篩風(fēng)干土混合，并攪拌均勻，混合物的用量以符合設(shè)計(jì)容重在試驗(yàn)小區(qū)平鋪2 mm厚為準(zhǔn)。然后，將混合物定量等分為10份，沿著坡面均勻地撒施在分段試驗(yàn)小區(qū)的對(duì)應(yīng)區(qū)域，并刮平、壓實(shí)。靜置一段時(shí)間后，用噴水壺沿著坡面從上到下均勻地噴撒2 L水，為使Jag C162與土壤充分作用，將其放置15 h后，即可開(kāi)始模擬降雨試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的坡度、降雨強(qiáng)度組合為：同一坡度15°下，降雨強(qiáng)度分別為1.0，1.5，2.0 mm/min；同一降雨強(qiáng)度1.5 mm/min下，坡度分別為10°，15°，20°。土壤表面處理包括作為對(duì)照的裸土和3種撒施劑量的Jag C162(1，3，5 g/m2)。每場(chǎng)試驗(yàn)重復(fù)1次，共計(jì)40場(chǎng)試驗(yàn)。每場(chǎng)試驗(yàn)的模擬降雨持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為40 min。

在試驗(yàn)過(guò)程中觀(guān)測(cè)各個(gè)時(shí)段的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量并做好記錄。在每場(chǎng)模擬降雨試驗(yàn)中，用秒表測(cè)得初始產(chǎn)流時(shí)間。在開(kāi)始產(chǎn)流后，用塑料桶接取各時(shí)段的過(guò)程水沙樣。產(chǎn)流后的前3 min內(nèi)接樣的時(shí)長(zhǎng)分別為1，2 min，之后每3 min接取1次，直到試驗(yàn)結(jié)束。用量筒讀取渾水體積獲得總徑流量，靜置后去除上層清水，將剩余的泥沙置于鐵盒中，在105℃下烘干并稱(chēng)重。

徑流率是指單位時(shí)間單位面積小區(qū)上產(chǎn)生的徑流量，計(jì)算公式為：

式中：R為徑流率(mm/min);M1為取樣時(shí)段內(nèi)的徑流和泥沙總質(zhì)量(g);M2為泥沙干重(g);ρ為水的密度1(g/cm3);t為徑流取樣時(shí)間(min);s為徑流小區(qū)的投影面積(cm2)。

每場(chǎng)降雨試驗(yàn)結(jié)束后，等待3～4 h即可在經(jīng)模擬降雨沖刷的坡面用鏟子均勻取3個(gè)表層土樣，采取濕篩法測(cè)定降雨后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

借助Excel 2016進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析及可視化操作，運(yùn)用SPSS 26實(shí)現(xiàn)單因素方差分析、最小顯著性差異檢驗(yàn)(LSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 撒施Jag C162對(duì)黃土坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

2.1.1 不同降雨強(qiáng)度下的初始產(chǎn)流時(shí)間 由表1可知，裸坡與撒施不同劑量Jag C162坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間均隨降雨強(qiáng)度的增大而呈逐漸縮短的趨勢(shì)。撒施Jag C162后可以明顯延遲坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間，隨著降雨強(qiáng)度的增大，滯后效應(yīng)減弱。在降雨強(qiáng)度為1.0，1.5，2.0 mm/min時(shí)，撒施不同劑量的Jag C162對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的平均滯后百分比分別為215%，24.58%，19.26%。Jag C162的撒施劑量與坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的滯后效應(yīng)呈非線(xiàn)性相關(guān)。撒施劑量為1，3，5 g/m2時(shí)，Jag C162的初始產(chǎn)流時(shí)間在不同降雨強(qiáng)度下相比對(duì)照的平均滯后百分比分別為62.05%，187.79%，9.01%。撒施3 g/m2劑量的Jag C162對(duì)坡面產(chǎn)流的延緩效果最為顯著，在降雨強(qiáng)度為1.0 mm/min，劑量為3 g/m2組合條件下，初始產(chǎn)流時(shí)間最大延遲到25.29 min。5 g/m2劑量下，除1.0 mm/min雨強(qiáng)下，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間相比對(duì)照皆顯著提前。

表1 不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag C162的初始產(chǎn)流時(shí)間及其與對(duì)照相比的滯后百分比

2.1.2 不同坡度下的初始產(chǎn)流時(shí)間 由表2可知，裸坡與撒施不同劑量Jag C162的坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間均隨坡度的增大而呈逐漸縮短的趨勢(shì)。坡度為10°，15°和20°時(shí)，撒施Jag C162坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間相比對(duì)照平均滯后的百分比分別為25.66%，24.58%，21.96%，不同坡度之間的初始產(chǎn)流時(shí)間差異較小。撒施1，3 g/m2劑量的Jag C162的初始產(chǎn)流時(shí)間相比對(duì)照平均滯后百分比分別為18.64%，112.07%。3 g/m2劑量下產(chǎn)流的滯后效果最為顯著，在坡度為10°，劑量為3 g/m2條件下，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間達(dá)到最大值9.49 min。撒施5 g/m2劑量Jag C162的初始產(chǎn)流時(shí)間相比對(duì)照平均提前百分比為58.51%，在坡度為20°，劑量為5 g/m2條件下，坡面初始產(chǎn)流提前時(shí)間達(dá)到最大值1.59 min(提前62.46%)。

表2 不同坡度下撒施Jag C162的初始產(chǎn)流時(shí)間及其與對(duì)照相比的滯后百分比

2.2 撒施Jag C162對(duì)黃土坡面徑流過(guò)程的影響

2.2.1 不同降雨強(qiáng)度下的坡面徑流過(guò)程 如圖1所示，在同一坡度、3個(gè)不同降雨強(qiáng)度條件下，撒施不同劑量Jag C162的坡面徑流率隨徑流過(guò)程的變化整體上可分為兩個(gè)階段。第一階段徑流率呈持續(xù)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，第二階段徑流率趨于緩慢遞增狀態(tài)，且徑流率與降雨強(qiáng)度總體呈正相關(guān)。因撒施劑量和降雨強(qiáng)度的不同，徑流率的變化有所差異。在1.0 mm/min雨強(qiáng)下，兩階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)大致位于35 min，并且撒施各劑量的坡面徑流率都顯著低于裸坡。在1.5，2.0 mm/min雨強(qiáng)下，兩階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別在30，25 min左右。除撒施5 g/m2劑量的坡面徑流率在產(chǎn)流初始階段(0～5 min)高于1，3 g/m2劑量及裸坡的徑流率，其余撒施Jag C162的坡面均可有效地減少?gòu)搅髀省?/p>

總體而言，隨著降雨強(qiáng)度的遞增，徑流率由快速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛f增的狀態(tài)在提前，且徑流率的變化幅度在增大。撒施不同劑量Jag C162的徑流率的大小順序?yàn)椋郝阃?1 g/m2>5 g/m2>3 g/m2。相對(duì)于1 g/m2劑量而言，撒施劑量為5，3 g/m2的徑流率隨降雨歷時(shí)全過(guò)程的變化中差異較小。

圖1 不同降雨強(qiáng)度和不同撒施劑量的Jag C162對(duì)徑流率隨降雨過(guò)程變化的影響

2.2.2 不同坡度下的坡面徑流過(guò)程 如圖2所示，在同一降雨強(qiáng)度、3個(gè)不同坡度試驗(yàn)條件下，撒施不同劑量Jag C162的坡面徑流率隨徑流過(guò)程的變化與不同降雨強(qiáng)度條件下的特征相似。第一階段徑流率呈持續(xù)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，第二階段徑流率趨于緩慢遞增狀態(tài)。因撒施劑量和坡度的不同，徑流率的變化有所差異。在坡度10°下，兩階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)大致在35 min，并且撒施各劑量的坡面徑流率均低于裸坡。在坡度15°和20°下，轉(zhuǎn)折點(diǎn)均分布在30 min左右，此時(shí)撒施5 g/m2劑量的坡面徑流率在產(chǎn)流初始階段(0～5 min)高于1，3 g/m2劑量及裸坡的徑流率，其余撒施Jag C162均可有效地減少?gòu)搅髀省?/p>

總體而言，隨著坡度的遞增，徑流率的增長(zhǎng)速率遞增。撒施不同劑量Jag C162的徑流率的大小順序?yàn)椋郝阃?1 g/m2>5 g/m2>3 g/m2。相對(duì)于1 g/m2而言，撒施劑量為5，3 g/m2的徑流率在降雨歷時(shí)全過(guò)程的變化中差異較小。

2.3 撒施Jag C162對(duì)黃土坡面徑流量的影響

由表3可知，撒施Jag C162對(duì)地表徑流具有明顯的減水效應(yīng)。同一坡度不同降雨強(qiáng)度下，撒施不同劑量Jag C162處理后，坡面徑流深隨雨強(qiáng)的增大而顯著增大，減水效應(yīng)依次為61.47%，47.10%，38.92%。同一降雨強(qiáng)度不同坡度下，撒施不同劑量Jag C162對(duì)應(yīng)徑流深的變化隨坡度的增大而遞增，但差異不顯著，減水效應(yīng)隨坡度的增大分別為53.17%，47.10%，40.60%。Jag C162不同撒施劑量的坡面處理措施下，徑流深的平均值從大到小排序?yàn)椋郝阃?1 g/m2>5 g/m2>3 g/m2。同一坡度不同降雨強(qiáng)度下，撒施1，3，5 g/m2劑量的Jag C162對(duì)黃土坡面的平均減水效應(yīng)分別為40.40%，51.33%，55.76%，撒施5 g/m2的Jag C162對(duì)坡面的平均減水效應(yīng)最大。同一降雨強(qiáng)度不同坡度下，撒施不同劑量Jag C162對(duì)坡面的平均減水效應(yīng)分別為31.98%，58.98%，49.92%，3 g/m2劑量的Jag C162的減水效應(yīng)最大。

圖2 不同坡度和不同撒施劑量的Jag C162對(duì)徑流率隨降雨過(guò)程變化的影響

表3 不同降雨強(qiáng)度和不同坡度下撒施Jag C162的減水效應(yīng)

2.4 撒施Jag C162對(duì)黃土坡面土壤團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的最小單元，它的粒徑分布、數(shù)量和其水穩(wěn)定性直接決定了土壤孔隙的大小和穩(wěn)定性[22]。水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量、質(zhì)量(大小)是決定土壤入滲性能、削弱徑流動(dòng)能及抵抗徑流沖刷力的物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量是評(píng)價(jià)土壤可蝕性的重要指標(biāo)。

撒施不同劑量的Jag C162對(duì)各粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量的影響，集中體現(xiàn)在>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的持續(xù)增長(zhǎng)(圖3)。在土壤表面處理為裸土?xí)r，>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量?jī)H為8.98%，而土壤表面經(jīng)過(guò)Jag C162不同劑量(1，3，5 g/m2)的處理后，對(duì)應(yīng)的團(tuán)聚體的含量分別增了21.06%，56.76%，66.54%。隨著撒施劑量的增加，其增長(zhǎng)率呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，與裸土相比增長(zhǎng)率分別為234.52%，632.07%，740.98%。其中以撒施3 g/m2劑量Jag C162的處理下，增幅最為突出。

撒施Jag C162可以有效提高>2.5 mm各粒級(jí)團(tuán)聚體含量(圖4，表4)。不同劑量的Jag C162與裸土相比，不同粒級(jí)團(tuán)聚體含量的提高范圍在0～21.14%，提高效果有顯著差異。相對(duì)而言，對(duì)0.25～0.5及0.5～1 mm粒徑的微團(tuán)聚體含量的提高效果較小，其增長(zhǎng)百分比介于4.67%～8.93%，在這2個(gè)粒級(jí)范圍內(nèi)，撒施小劑量(1 g/m2)比較大劑量(3，5 g/m2)坡面處理的改善效果更顯著。對(duì)1～2，2～5及>5 mm粒徑的團(tuán)聚體含量的提高幅度較大，其增長(zhǎng)百分比的均值為11.58%。撒施3，5 g/m2劑量坡面處理的改善效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)小劑量(1 g/m2)處理，且兩個(gè)較大劑量下的改善效果較為接近，其中，尤其對(duì)2～5 mm粒徑的提高效果最好，提高百分比的均值為13.92%，最大值可達(dá)21.14%。由此可見(jiàn)，Jag C162可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體從微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為大團(tuán)聚體，有效地改善水穩(wěn)性團(tuán)聚體的團(tuán)粒分布特征。

注:Jag C162的撒施劑量為0 g/m2即為裸坡處理，下同。

注：不同小寫(xiě)字母代表各種降雨強(qiáng)度與坡度組合條件下，不同劑量之間對(duì)各粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響效應(yīng)差異顯著(p<0.05)。

表4 Jag C162對(duì)各粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的提高百分比 %

3 討 論

3.1 撒施Jag C162對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

在其他外部試驗(yàn)條件一致時(shí)，高分子聚合物應(yīng)用的有效性在很大程度上取決于土壤性質(zhì)[23]。在土壤中施加高分子聚合物會(huì)影響土壤顆粒的分散和絮凝，有助于穩(wěn)定現(xiàn)有團(tuán)聚體，改善相鄰?fù)寥李w粒之間的結(jié)合和聚集以增加團(tuán)聚體含量，提高團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性[24-25]。本試驗(yàn)表明Jag C162與土壤顆粒發(fā)生充分粘結(jié)和吸附，使小的土壤顆粒膠結(jié)在一起把微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為大團(tuán)聚體，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性得到改善，土壤結(jié)構(gòu)得以提升。>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的占比上升會(huì)降低土壤容重，提高土壤的總孔隙度及毛管孔隙度，增加土壤入滲率[20]，使有限的天然降水最大限度地儲(chǔ)存在土壤中，提高雨水資源的有效利用率[12]。Jag C162對(duì)坡面徑流具有顯著減水效應(yīng)，可有效降低坡面侵蝕。

另一方面，增加團(tuán)聚體的穩(wěn)定性可以防止土壤結(jié)皮的形成[26]。經(jīng)高分子聚合物處理后，可以通過(guò)改變土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)分布和改善團(tuán)聚體的穩(wěn)定性來(lái)有效地抑制土壤結(jié)皮的形成[27]。撒施Jag C162后，會(huì)在很多過(guò)程中抑制土壤封閉與結(jié)皮的形成，如雨滴對(duì)土壤的沖擊與壓實(shí)過(guò)程及水流引起的分散，搬運(yùn)與沉積過(guò)程等，從而提高入滲率。Zhang等[28]電鏡掃描結(jié)果顯示，土壤改良劑會(huì)分散松散的土壤顆粒，促進(jìn)其重新形成片狀、針狀的土體結(jié)構(gòu)，而且其內(nèi)聚力可以有效地防止團(tuán)聚體分散。由表4可知，隨著撒施劑量的增加，>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的提高程度依次增大，但不同劑量下，各粒級(jí)的提高比例有所差異。撒施1 g/m2的Jag C162時(shí)，主要是1～2，0.5～1 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例提高，撒施3，5 g/m2的Jag C162時(shí)，主要是>5，2～5，1～2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比上升，并且劑量越大，提高幅度越大。其可能的原因是撒施劑量增多，Jag C162與土壤顆粒的接觸面積增大，Jag C162與土壤顆粒的吸附與粘結(jié)效果更強(qiáng)，促使形成更高粒級(jí)的團(tuán)聚體。

3.2 撒施Jag C162對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

李元元等[21]的研究表明施用不同劑量Jag S的坡面產(chǎn)流均早于裸坡，且劑量越大，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間越早。而陳渠昌等[29]通過(guò)試驗(yàn)得出PAM的施用對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間無(wú)顯著影響。相反，唐澤軍等[30]的研究表明PAM覆蓋能顯著延遲徑流的初始產(chǎn)流時(shí)間。隨著PAM覆蓋率的遞增，對(duì)坡面產(chǎn)流的滯后時(shí)長(zhǎng)越大。本研究結(jié)果表明，在不同降雨強(qiáng)度與坡度條件下，撒施小、中劑量的Jag C162可以顯著地使坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間滯后，但是撒施大劑量的Jag C162反而會(huì)使坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間提前。

與前人的研究成果存在差異的原因可能是：(1) 陳渠昌等[29]所使用的PAM是由丙烯酰胺聚合而成的高分子陰離子型化合物，分子量較大，白色粉末非結(jié)晶固體，而Jag C162是羥丙基瓜爾膠的陽(yáng)離子衍生物，從瓜爾豆種子中提取的天然多糖，分子量?jī)H為30萬(wàn)～100萬(wàn)，白色粉末。李元元等[21]的Jag S是從大豆胚胎中提取的一種中性多糖，不帶電，白色粉末狀，并且Jag S的黏度比Jag C162低，不同的聚合物其性質(zhì)的不同對(duì)土壤顆粒的物理化學(xué)過(guò)程有所差異，因此，對(duì)坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間的作用效果不同。(2) 試驗(yàn)選材的施用方式不同。李元元等[21]的Jag S施用方式是噴施法，將所需劑量的Jag S溶于定量水中，并充分?jǐn)嚢瑁湫纬煞€(wěn)定膠體后均勻噴灑于土壤表面。膠體狀的Jag S不利于大面積分散，與土壤作用不充分，甚至堵塞土壤孔隙致使初始產(chǎn)流時(shí)間提前。本研究中Jag C162施放方式采取拌土干施法。將設(shè)計(jì)劑量的Jag C162與風(fēng)干土充分混合，分段平鋪于土壤表面。有可能是粉末狀的Jag C162與土壤顆粒的結(jié)合作用地更加充分，其對(duì)土壤團(tuán)聚體的促進(jìn)效果較好，從而能更好地改善土壤的入滲性能，因此對(duì)應(yīng)的初始產(chǎn)流時(shí)間滯后。本試驗(yàn)中撒施5 g/m2劑量的Jag C162導(dǎo)致初始產(chǎn)流時(shí)間提前的原因可能是Jag C162粉末會(huì)率先進(jìn)入土壤顆粒的間隙中，在短時(shí)間內(nèi)形成一層膠體薄膜，阻擋了部分水流的入滲，因此初始產(chǎn)流時(shí)間會(huì)提前。隨著時(shí)間的推移，徑流沖刷破壞了薄膜層，使Jag C162與土壤的吸附粘結(jié)作用更加充分，土壤結(jié)構(gòu)更趨向于大團(tuán)聚體，進(jìn)一步表現(xiàn)為減水效應(yīng)更好。

3.3 撒施Jag C162對(duì)坡面徑流過(guò)程的影響

撒施不同劑量Jag C162的坡面徑流率隨徑流過(guò)程的變化大致趨勢(shì)為由快速增長(zhǎng)逐漸趨于緩慢遞增狀態(tài)。撒施Jag C162后，在降雨初期，表土的初始含水量低，土壤的入滲率相對(duì)較高，此時(shí)降水用于地表土層的蓄存與填洼，地表無(wú)徑流產(chǎn)生。隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，土壤孔隙漸漸被填充，表土含水量持續(xù)增大，土層的蓄水能力在下降。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤的入滲率時(shí)，地表開(kāi)始產(chǎn)生徑流。產(chǎn)流開(kāi)始后，土壤入滲率逐漸減小，此時(shí)雨滴對(duì)土壤的沖擊和水流本身所具有的動(dòng)能及勢(shì)能的轉(zhuǎn)化對(duì)地表的沖刷致使水流的挾沙能力增強(qiáng)，地表徑流量增大。當(dāng)土壤含水量幾近飽和，土壤孔隙度被土壤顆粒和水流填充，此時(shí)進(jìn)入土壤穩(wěn)滲階段，地表的徑流量也相應(yīng)平穩(wěn)。

總體而言，試驗(yàn)劑量下的Jag C162可以明顯地改變地表徑流過(guò)程，但不同劑量對(duì)徑流過(guò)程的影響有所差異。撒施3 g/m2的Jag C162對(duì)徑流率的減小效果最好，是本試驗(yàn)條件下的最佳施用劑量。隨著撒施劑量增多，Jag C162顆粒與土壤顆粒發(fā)生作用的幾率增大，撒施3 g/m2劑量會(huì)促進(jìn)土壤與Jag C162更好地進(jìn)行吸附和粘結(jié)，進(jìn)而改善土壤顆粒的粒級(jí)分布，提高土壤孔隙度，增強(qiáng)入滲量，減少?gòu)搅髁?，因? g/m2比1 g/m2的徑流明顯較少。而撒施5 g/m2的Jag C162對(duì)徑流率的減小效果沒(méi)有撒施3 g/m2的Jag C162對(duì)徑流率的減小效果好，其可能的原因是過(guò)量的Jag C162在降雨過(guò)程中隨徑流進(jìn)入土壤孔隙，堵塞孔隙，過(guò)量的Jag C162還會(huì)與土壤吸附在地表形成局部封閉，阻擋徑流的下滲路徑，使土壤入滲量降低，徑流量增大。但撒施5 g/m2的Jag C162相比對(duì)照而言，仍然對(duì)徑流量具有顯著的調(diào)控效應(yīng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)比分析了撒施Jag C162坡面與裸坡徑流過(guò)程特征，揭示了Jag C162對(duì)坡面徑流過(guò)程的影響。撒施3，1 g/m2劑量Jag C162的坡面初始產(chǎn)流時(shí)間相比裸坡顯著滯后(p<0.05)，撒施大劑量(5 g/m2)的坡面初始產(chǎn)流時(shí)間顯著提前(p<0.05)。與裸坡處理相比，撒施Jag C162明顯改變了降雨徑流隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律。撒施不同劑量Jag C162的坡面徑流率隨徑流過(guò)程的變化大致趨勢(shì)為由快速增長(zhǎng)逐漸趨于緩慢遞增狀態(tài)(5 g/m2除外)。撒施3 g/m2的Jag C162對(duì)徑流率隨降雨歷時(shí)的調(diào)控效應(yīng)最佳。Jag C162可以顯著提高>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，尤以1～2，2～5，>5 mm粒徑的團(tuán)聚體含量的提高幅度大。以此改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤孔隙度，提高入滲率，減少地表徑流量，從而達(dá)到調(diào)控土壤侵蝕的目的，為黃土高原干旱地區(qū)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供新方向。

侵蝕強(qiáng)弱取決于降雨動(dòng)力條件和土壤抗蝕性的綜合作用結(jié)果，本研究中撒施Jag C162可顯著提高土壤團(tuán)聚體含量，提高抗蝕性，且對(duì)團(tuán)聚體的改善效果隨劑量增大而增大，但同時(shí)，從1 g/m2劑量增加到3 g/m2時(shí)，Jag C162對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的滯后效果顯著增大，且產(chǎn)流量顯著減少，但當(dāng)劑量繼續(xù)增加至5 g/m2時(shí)，初始產(chǎn)流時(shí)間在1.5，2.0 mm/min時(shí)反而顯著提前，甚至比裸土也顯著提前，并且徑流量的減少效果變小。因此，隨著Jag C162施放劑量的不斷增大，土壤抗蝕性呈不斷增加的趨勢(shì)，但其對(duì)徑流的調(diào)控效應(yīng)并不是不斷增強(qiáng)的，而對(duì)徑流調(diào)控的減弱一定程度上相對(duì)增強(qiáng)了侵蝕發(fā)生的動(dòng)力條件，所以在大劑量條件下，當(dāng)徑流增加引起的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)抗蝕性增強(qiáng)抵抗侵蝕的平衡點(diǎn)時(shí)，有可能呈現(xiàn)出侵蝕增加的現(xiàn)象。因此，撒施Jag C162的最佳劑量還需做進(jìn)一步的探討。